太阳的结局是……一颗钻石？| 科技袁人

  

众所周知，太阳现在是在依靠氢核聚变放出能量。大约50亿年后，太阳的氢燃料耗尽，它会变成什么？回答是白矮星。

顾名思义，白矮星就是白色的矮小星球，颜色白是因为表面温度高，体积小导致光度低，也就是说它白而不亮。在物理上，白矮星的本质在于，依靠电子的简并压来抵抗自身的引力。什么叫简并压？所谓“简并”，就是两个粒子处于同一状态。电子不愿意简并，所以产生一种向外的压强，这就是简并压，它阻止了白矮星向内塌缩。电子为什么不愿意简并？因为它们服从泡利不相容原理，即两个电子不能处于相同的状态。

除了白矮星之外，恒星还可能变成另外两种致密天体：中子星和黑洞。中子星是电子的简并压不足以抵抗自身的引力，导致大部分电子和原子核中的质子合并变成了中子，整个星体几乎全部由中子组成。然后中子的简并压比电子的简并压大，它加上强相互作用的斥力以及旋转造成的离心力终于足以抵抗引力了，于是在这种状态下稳定下来，这就是中子星。而如果连这些加起来都不足以抵抗引力，那就没有任何东西能阻止星体向内塌缩，结果就是变成黑洞。

这三种致密天体的区别，可以用逃逸速度与光速的比值来表示。白矮星的逃逸速度约为0.01光速，中子星的逃逸速度约为0.5光速，黑洞的逃逸速度就是光速。对黑洞来说，连光都逃不出去。按照目前的理论，所有低于8倍太阳质量的恒星最终都会变成白矮星，质量更大的恒星会变成中子星或黑洞，或者可能完全瓦解。

不久前是李政道先生95岁生日，我的科大师兄、康奈尔大学天文系教授赖东写了一篇文章《李政道和致密星天体物理》，介绍了李政道对天文学的贡献。实际上李政道的博士论文研究的就是白矮星，他证明了白矮星不可能靠内部的氢核燃烧稳定地生存。所以结论是：白矮星内部没有核聚变反应。它的能量是只出不进，即只有辐射放热，而不再有能量产生。

因此，白矮星最终会变成黑矮星，即不发光的矮星。这才是太阳最终的结局。不过这个过程非常漫长，比宇宙当前的年龄138亿年还长得多。所以目前已经观测到了很多颗白矮星，黑矮星却一颗都没看到（《太阳会变成一个黑洞吗 | 张天蓉》）。用007电影的标题说，白矮星们no time to die。

最后说一句，白矮星的主要成分是碳和氧。因此开玩笑地说，太阳的结局是变成一大块钻石！只不过，那时应该没有人能去拿这块钻石了。

作者简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

责任编辑：陈昕悦